1、声学基础：什么是声n声是一种机械扰动在介质中的传播，是一种波动形式，也是一种能量形式。n产生声波的条件：声源，介质。n声的分类 n 02020000次声次声可听声可听声超声超声Hz声学基础：声速、波长和频率n声波在空气中的传播可视为绝热过程nR气体常数，绝热指数，T温度 n波长是两个相邻波对应点之间的距离。声波行经一个波长的距离所需要的时间就是周期。对周期波来讲，波长、频率和传播速度之间的关系是：RTPcddvpccTf1fc波长或周期波速声学基础：声波的反射、折射与透射n平面波入射到两种介质的分界面上时，部分声能反射，平面波入射到两种介质的分界面上时，部分声能反射，形成反射波；部分声能穿透界
2、面进入另一介质，形成折形成反射波；部分声能穿透界面进入另一介质，形成折射波。射波。nSnell声波声波反射和折射定律反射和折射定律ri21tsinsincci入射波入射波反射波反射波11c22c折射波折射波声学基础：声波的散射n声波在空间、介质中传播时，会遇到各种各样的声波在空间、介质中传播时，会遇到各种各样的“障碍障碍物物”，其中部分声波要偏离原来的路径，从而产生，其中部分声波要偏离原来的路径，从而产生“散散射射”。障碍物比波长大的多，声波发生反射，同时部分声波在障碍物边障碍物比波长大的多，声波发生反射，同时部分声波在障碍物边界处绕过障碍物，使得障碍物背后会形成影区；界处绕过障碍物，使得障碍
3、物背后会形成影区；障碍物比波长小很多，声波可以绕过障碍物传播，出现衍射现象；障碍物比波长小很多，声波可以绕过障碍物传播，出现衍射现象；当障碍物与波长可比拟时，比较复杂，会发生干涉现象、衍射现当障碍物与波长可比拟时，比较复杂，会发生干涉现象、衍射现象。象。声学基础：声压级n定义定义参考压力参考压力p p0 0=2=21010-5-5PaPa，人耳对，人耳对1kHz1kHz声音能觉察到的声压，声音能觉察到的声压，1kHz1kHz的可听阈声压，对应声压级为的可听阈声压，对应声压级为0 0分贝分贝。94lg20 lg20lg10SPL0202ppppp(dB)例子：1kHz听阈值 0dB；农村中的噪声
4、（田园）10dB；微风吹动树叶 14dB；高声谈话（1m处）70dB；热闹的大街 80dB；交响乐队演奏（5m处）84dB；地铁 100dB；痛阈 120130dB；飞机 140dB。声学基础：频谱n不同的声音，其含有的频率成分及各个频率上的能量分布不同的声音，其含有的频率成分及各个频率上的能量分布是不同的，这种频率成分与能量分布的关系就称为声的频是不同的，这种频率成分与能量分布的关系就称为声的频谱。谱。例.测量某通风机发出的噪声，各频带的声压级数据如表所示，求通风机的总声压级。niTi110L10lg10L声学基础：分贝的叠加10L202120211110lg10Lpppp10L202220
5、222210lg10Lpppp10L10L20210L2010L2022212212110101010pppppppTT10L10L202211010lg10lg10LppTT若若L1=L2，则，则若若L1=L2=Ln，则，则3L10lg102lg10102lg10L110L10L11TnTlg10LL1声学基础：倍频程和1/3倍频程 n倍频程是指相邻两个频率之比为倍频程是指相邻两个频率之比为2:1所确定的频程。所确定的频程。若若f1为频带的下限截止频率，为频带的下限截止频率，f2为频带的上限截止为频带的上限截止频率，则中心频率：频率，则中心频率：n1/3倍频程就是将一个倍频程再分为三段倍频程
6、就是将一个倍频程再分为三段122122fffff声学基础：噪声试验测量n试验标准试验标准n消声室消声室n噪声测量与分析系统噪声测量与分析系统声学基础：引发噪声的基本机理n固体的振动导致声能的产生和辐射固体的振动导致声能的产生和辐射结构噪声结构噪声 声源易于识别，一般有意义的区域不包括任何声源，运用声源易于识别，一般有意义的区域不包括任何声源，运用经典经典声学理论分析齐次波动方程即可，声学理论分析齐次波动方程即可，声压波动的解描述了源以外的波声压波动的解描述了源以外的波动场，这个波动场可用简单声源的组合来模化动场，这个波动场可用简单声源的组合来模化。n由湍流和非定常流诱导的压力波动引起的流体流动
7、诱导由湍流和非定常流诱导的压力波动引起的流体流动诱导噪声噪声气动噪声气动噪声 气动声源不易识别，有意义的区域一般在流体流动自身的内部，气动声源不易识别，有意义的区域一般在流体流动自身的内部，而且包含声源。这些源在不断地生成或随流动在对流，因此必须将而且包含声源。这些源在不断地生成或随流动在对流，因此必须将这些源包含在波动方程中，以便能正确地识别它们。此时，波动方这些源包含在波动方程中，以便能正确地识别它们。此时，波动方程是非齐次的，在解中它即描述了源又描述了波动场。程是非齐次的，在解中它即描述了源又描述了波动场。声学基础：声源类型单极子偶极子四极子n单极子：表面均匀脉动的球源单极子：表面均匀脉
8、动的球源n偶极子：两个相距很近，并以相同的振幅而位相相偶极子：两个相距很近，并以相同的振幅而位相相反的脉动球源组成的声源。反的脉动球源组成的声源。n四极子：四个单极子声源组合构成，分横向四极子四极子：四个单极子声源组合构成，分横向四极子和纵向四极子。和纵向四极子。声学基础：声源类型的比较声学基础：波动方程n非齐次声学波动方程非齐次声学波动方程n格林函数格林函数n波动方程的解波动方程的解 ),(12222yptpcyyxyxyx3d4,),(Vcttpreikr4),|,(Gxyr/ctrt41),|,(GtxydG21G ttie格林函数物理意义：格林函数物理意义：波动方程对自由空间作用着一个
9、单波动方程对自由空间作用着一个单位的、时间谐量的点源的解。位的、时间谐量的点源的解。声学基础：声学边界条件 n波动方程的解跟声场的边界条件息息相关波动方程的解跟声场的边界条件息息相关 n Delechlet问题，也称第一边值问题问题，也称第一边值问题。时，对应于声波在绝对软边界上衍射。时，对应于声波在绝对软边界上衍射。n Neumann问题，也称第二边值问题。问题，也称第二边值问题。时，对应于声波在绝对硬边界上衍射。时，对应于声波在绝对硬边界上衍射。n 混合问题，也称第三边值问题。此时边混合问题，也称第三边值问题。此时边界也称弹性边界，对应于声波在阻抗型边界上衍射。界也称弹性边界，对应于声波在
10、阻抗型边界上衍射。SfpS 0Sf SfnpS 0Sf SfpnpS气动声学：流体诱发噪声n航空业的发展推动着气动声学的发展和进步。航空业的发展推动着气动声学的发展和进步。n气动声学的研究不局限于航空业，而涉及了流体诱气动声学的研究不局限于航空业，而涉及了流体诱发噪声的各个领域，大致可分为三类：发噪声的各个领域，大致可分为三类：n自由空间问题：湍流产生的噪声，射流噪声自由空间问题：湍流产生的噪声，射流噪声n包含固体表面的自由空间问题：机翼和转子包含固体表面的自由空间问题：机翼和转子n有界的问题：有导流罩的风机，管道系统有界的问题：有导流罩的风机，管道系统气动声学：WHAT DO WE EXPE
11、CT?n声源信息：类型，强度，贡献声源信息：类型，强度，贡献n传播：传播的路径、损失传播：传播的路径、损失n接收者：声压，频谱接收者：声压，频谱接收者声波介质声源气动声学：Lighthill声模拟理论n流体在自由空间的无界区域内流动流体在自由空间的无界区域内流动n将流体运动方程的全部非线性项组合在一起作为非齐次波将流体运动方程的全部非线性项组合在一起作为非齐次波动方程右边的源项动方程右边的源项nLighthill气动声学波动方程是从理想流体运动方程出发推气动声学波动方程是从理想流体运动方程出发推导出来的导出来的 0iivtxijijijijjjvvpvtxxx 2222201ijijTppct
12、x x20ijijijijijTpcvv Lighthill应力张量应力张量气动声学：Curl方程与Lowson方程nLowson运动点声源方程，曾用于压缩机噪声的预测运动点声源方程，曾用于压缩机噪声的预测 2222201ijiiiijTFppctxxx x n流体与静止固体边界相互作用的发声流体与静止固体边界相互作用的发声，固体边界的作用相，固体边界的作用相当于在整个固体边界上分布偶极子源，且每点偶极子源的当于在整个固体边界上分布偶极子源，且每点偶极子源的强度等于固体表面该点作用在流体上的力的大小。强度等于固体表面该点作用在流体上的力的大小。tMMFtFMrcyxtprriirii114)(
13、,220 x气动声学：FW-H方程n运动物体与流体相互作用产生的声场是由四极子源、偶极子源以及由运动物体与流体相互作用产生的声场是由四极子源、偶极子源以及由于位移所产生的单极子源的叠加组成的于位移所产生的单极子源的叠加组成的：第一项代表流体体积位移产：第一项代表流体体积位移产生的声音，是单极子源；第二项代表作用在流体边界上脉动力产生的生的声音，是单极子源；第二项代表作用在流体边界上脉动力产生的声音，属于偶极子源；第三项代表体积源产生的声音，是四极子源。声音，属于偶极子源；第三项代表体积源产生的声音，是四极子源。2222201iijiijpQfFfT Hfcttxx x 单极子单极子偶极子偶极子
14、四极子四极子气动声学：涡声理论涡声理论 n1964年，年，Powell假定气动声起源可能归因于漩或者涡的形假定气动声起源可能归因于漩或者涡的形成过程，这一作用引起涡的形成，同时引起声辐射。成过程，这一作用引起涡的形成，同时引起声辐射。nHowe以驻点焓作为声变量来计算与固体等的交互作用以驻点焓作为声变量来计算与固体等的交互作用 vptpc222201STptpcv222201nLighthill理论在容易算出应力张量时，适用于精确的普理论在容易算出应力张量时，适用于精确的普遍结果；遍结果；Powell-Howe理论则适用于待解决的关系着流理论则适用于待解决的关系着流声交互作用的具体问题。声交互
15、作用的具体问题。液流噪声液流噪声气动声学：挑战n声波的辐射只包含主流能量的很小部分声波的辐射只包含主流能量的很小部分n流动中的大部分不稳定是流动中的大部分不稳定是“伪声伪声”n飞机在起飞时产生的声能还不足以烧熟一个鸡蛋！飞机在起飞时产生的声能还不足以烧熟一个鸡蛋！n声压的量级比起水动力学压力非常小声压的量级比起水动力学压力非常小nSPL=80 dB,prms=0.2Pa,patm 105Pan气动声学问题具有固有的不稳定性气动声学问题具有固有的不稳定性n关注的频率范围非常大：关注的频率范围非常大：20Hz 20,000Hzn声音的时间精度的量级比起流动中感兴趣的时间尺度更大；声音的时间精度的量
16、级比起流动中感兴趣的时间尺度更大；n要捕捉小的漩涡，需要空间精度。要捕捉小的漩涡，需要空间精度。气动声学：CFD方法n直接计算直接计算 计算气动声学计算气动声学(CAA)n作为作为CFD结果的一部分解析出声压的波动结果的一部分解析出声压的波动n接受者位于计算域之内接受者位于计算域之内nCFD/BEM耦合耦合n声波不采用声波不采用CFD方法追踪方法追踪n能考虑外部的散射，反射能考虑外部的散射，反射n声类比方法，使用声学模拟模型声类比方法，使用声学模拟模型n使用使用CFD计算源场计算源场n使用分析法求解声音从源场到接受者位置的传播使用分析法求解声音从源场到接受者位置的传播n基于噪声源模拟的稳态的基
17、于噪声源模拟的稳态的RANSn基于时均流场，使用经验关系来估算声音的辐射基于时均流场，使用经验关系来估算声音的辐射Decreasing accuracyDecreasing computational effort气动声学：计算气动声学CAAn直接从直接从CFD结果中提取所有的声音信息结果中提取所有的声音信息n声压的波动直接通过麦克风位置来监控声压的波动直接通过麦克风位置来监控n需要在包括从声源到接受者完整的计算域中求解所有的感兴趣的声音需要在包括从声源到接受者完整的计算域中求解所有的感兴趣的声音波长并保持足够的空间精度波长并保持足够的空间精度n对二阶格式，每个波长需要有对二阶格式，每个波长需
18、要有 10-15 网格点，解析不足的波耗散迅速网格点，解析不足的波耗散迅速n三维问题非常耗时，因此适用于近场三维问题非常耗时，因此适用于近场(10)计算计算n需要无反射边界条件需要无反射边界条件n人为反射的声波不应干扰主流的声场人为反射的声波不应干扰主流的声场n在计算声学中面临所有已知的困难在计算声学中面临所有已知的困难n近场气动压力的变化中，弱声波易近场气动压力的变化中，弱声波易“丢失丢失”，故需要高精度的数值算法，故需要高精度的数值算法n需要可压缩非稳态的流场结果需要可压缩非稳态的流场结果n对于低马赫数流动非常困难（流动几乎对于低马赫数流动非常困难（流动几乎“冻结冻结”），同流动的演化过程
19、相），同流动的演化过程相比，根据比，根据CFL的限制需要非常小的时间步长。的限制需要非常小的时间步长。n需要高阶的离散方案以保真地将声波传递到远场需要高阶的离散方案以保真地将声波传递到远场气动声学：CFD与SYSNOISE耦合nCFD软件软件(Fluent,Star-CD)与与LMS SYSNOISE 合作，为合作，为BEM/FEM提供声学代码耦合工具。提供声学代码耦合工具。nSYSNOISE提供额外的分析工具以求解振动和气动声学问题，提供额外的分析工具以求解振动和气动声学问题，例如例如n振动结构产生的声音辐射振动结构产生的声音辐射n声音诱发的振动声音诱发的振动n声音的反射，散射，发射声音的反
20、射，散射，发射n风扇的噪声风扇的噪声n边界元方法边界元方法(BEM)n在频域上求解在频域上求解n对外流问题非常有效，只需要边界被离散对外流问题非常有效，只需要边界被离散n当从壁面的发射及散射重要时，该方法要优于当从壁面的发射及散射重要时，该方法要优于FW-H 方法方法气动声学：声类比(Acoustic Analogy)n基于两步的方法基于两步的方法n使用使用CFD精确模拟声源附近的瞬态流场精确模拟声源附近的瞬态流场n通过分析求解波动方程来模拟噪声从声源到接收者的传播通过分析求解波动方程来模拟噪声从声源到接收者的传播nAnalogy 这个概念指的是复杂的流动过程用等价的声源来表这个概念指的是复杂
21、的流动过程用等价的声源来表示示n源假定在一均质的流动中源假定在一均质的流动中n观测者的声场通过波动方程描述观测者的声场通过波动方程描述nFW-H声模拟声模拟n最通用的声学积分公式最通用的声学积分公式n从瞬态从瞬态(LES,DES,URANS)CFD 计算中提取源信息计算中提取源信息声源CFD计算声源 波动方程接收者气动声学：基于RANS的噪声源模拟n非稳态非稳态LES/DES 非常耗时非常耗时n稳态稳态RANS结果包含一些有价值的信息结果包含一些有价值的信息n时均速度分量，时均压力，雷诺应力，湍动能，耗散率时均速度分量，时均压力，雷诺应力，湍动能，耗散率n半经验方法半经验方法n需要对非稳态运动
22、、相关性的近似需要对非稳态运动、相关性的近似n潜在的用处潜在的用处n判定主要的噪声源判定主要的噪声源n提供降噪的思路提供降噪的思路n筛选筛选“噪声噪声”设计设计一些案例n边界元耦合nFW-H声类比n湍流相关法RANSCFD/BEM耦合XYZInlet ductOUTLETINLETZYOutlet ductX=140DuctImpellerScrollCFD/BEM耦合CFD/BEM耦合一些案例n声学软件耦合nFW-H声类比n湍流相关法RANSFluent中的声类比：选择算法nDefine Models Acousticsn选择源数据输出或同步的选择源数据输出或同步的FW-H 计算计算n设置模
23、型参数设置模型参数n远场密度远场密度n远场声速远场声速n设置设置SPL计算的参考压力计算的参考压力Fluent中的声模拟：选择源面nDefine Models Acoustics Sourcesn选择所有的源表面或部分源表面选择所有的源表面或部分源表面n允许判定从不同源的贡献允许判定从不同源的贡献n对于可穿透的面对于可穿透的面(interior)(interior)，FluentFluent需要指定需要指定“内部内部”单元区域单元区域Fluent中的声模拟：选择源面nDefine Models Acoustics Sources(cont.)n选择源数据输出的频率选择源数据输出的频率n源数据不
24、需要每个时间步都输出源数据不需要每个时间步都输出n流动流动(CFL)的要求通常比声学的要求更严格的要求通常比声学的要求更严格n选择源数据集输出到源数据文件选择源数据集输出到源数据文件(.asd)nSolve Iteraten进行流体求解进行流体求解.n刷新刷新.index文件，输出文件，输出.asd文件文件Fluent中的声模拟：指定接收者nDefine Models Acoustics Receiversn指定接收者位置指定接收者位置n每个接收者生成一个信号文件每个接收者生成一个信号文件(.ard)n接收者的位置可以在接收者的位置可以在CFD计算域的内部或外部计算域的内部或外部Fluent中
25、的声模拟：噪声计算nSolve Acoustic Signalsn载入载入.index 文件文件n自动刷新有效的源数据列表自动刷新有效的源数据列表n选择要处理的源数据选择要处理的源数据(.asd files)n可以使用源数据的子集可以使用源数据的子集n选择使用的源区域选择使用的源区域n选择接收者选择接收者n计算计算FW-H积分，同时输出接收者的积分，同时输出接收者的(.ard)文件文件风机气动噪声机理n离散噪声离散噪声(旋转噪声旋转噪声)n叶片周期性地打击流体引起流体压力脉动所产生的离散频率噪声叶片周期性地打击流体引起流体压力脉动所产生的离散频率噪声n叶片旋转叶片旋转n动静干涉动静干涉 n 转
26、数，转数，rpm z 叶片数叶片数 i 1，2，3，谐波序号谐波序号n宽带噪声宽带噪声(涡流噪声涡流噪声)n叶轮在旋转过程中，叶轮叶片与气体相互作用、耦合所辐射的宽叶轮在旋转过程中，叶轮叶片与气体相互作用、耦合所辐射的宽频带噪声频带噪声n来流紊流噪声来流紊流噪声n紊流附面层噪声紊流附面层噪声n尾缘涡流脱落噪声尾缘涡流脱落噪声n叶尖涡流噪声叶尖涡流噪声)(60Hzinzfi10001000030405060708090100A声压级SPL/dB频 率/H zn气动噪声n结构噪声n电机噪声风机气动噪声机理 宽频噪声的产生机理宽频噪声的产生机理有待进一步研究有待进一步研究噪声定性预测：基本思想n定量
27、预测做不到定量预测做不到n声源获取的准确性与全面性不足声源获取的准确性与全面性不足n声辐射路径与损失的计算困难声辐射路径与损失的计算困难n噪声的产生机理还未完全明了噪声的产生机理还未完全明了n定性预测的基本思想定性预测的基本思想n计算声源时考虑蜗壳的影响计算声源时考虑蜗壳的影响n计算获得的声源足够准确计算获得的声源足够准确n忽略蜗壳对声场的影响，认为声波在自由空间辐射忽略蜗壳对声场的影响，认为声波在自由空间辐射n利用利用FW-HFW-H方程和涡声理论计算噪声方程和涡声理论计算噪声n从定性上判定各部位声源对声场的贡献，以及噪声的相对大小从定性上判定各部位声源对声场的贡献，以及噪声的相对大小n可用
28、于指导低噪声设计可用于指导低噪声设计噪声定性预测：计算声源n精细网格精细网格噪声定性预测：计算声源(续)n高阶精度差分格式高阶精度差分格式n三阶精度的三阶精度的MUSCL格式对对流项进行离散格式对对流项进行离散n足够小的非定常时间步长足够小的非定常时间步长n叶轮每旋转叶轮每旋转1deg所需的时间所需的时间n严格的计算收敛标准严格的计算收敛标准n最大残差设定为最大残差设定为110-6n并行计算的应用并行计算的应用n缓解计算资源紧张、节省计算时间缓解计算资源紧张、节省计算时间n高级湍流模型的应用高级湍流模型的应用nDES或者或者LES风机噪声优化设计方案步骤 n试验优化方法的选取试验优化方法的选取
29、n因素考虑因素考虑n减少试验方案，缩短试验周期、节省试验费用减少试验方案，缩短试验周期、节省试验费用n确定因素及水平确定因素及水平n选择影响噪声的因素，如蜗舌半径、蜗舌间隙和蜗舌倾角选择影响噪声的因素，如蜗舌半径、蜗舌间隙和蜗舌倾角n根据保证试验的准确性以及减少试验方案的要求来选择水平数根据保证试验的准确性以及减少试验方案的要求来选择水平数n确定试验模型确定试验模型n模型的尺寸模型的尺寸n因素和水平的组合因素和水平的组合n测量试验模型的噪声等物理量测量试验模型的噪声等物理量n数学寻优数学寻优n处理试验数据处理试验数据n采用数学方法寻找最优解采用数学方法寻找最优解试验优化：均匀设计n目标：提高效
30、率，降低噪声目标：提高效率，降低噪声n选择试验因素选择试验因素Xin蜗舌倾角蜗舌倾角X1:040n蜗舌间隙蜗舌间隙X2:2048mmn蜗舌半径蜗舌半径X3:820mmn选择水平数选择水平数n理论上水平数越多越好，水平数多，试验模型就多理论上水平数越多越好，水平数多，试验模型就多n实际中一般采用响应模型实际中一般采用响应模型含因素的项有含因素的项有9项，要使系数回项，要使系数回归，必须条件数为归，必须条件数为n9+1=10含因素的项有含因素的项有6项，必须条件数项，必须条件数为为n6+1=7为防止试验中模型偏差而出现跳点为防止试验中模型偏差而出现跳点,多选一个水平，即需要八个水平。多选一个水平，
31、即需要八个水平。试验优化：均匀设计n模型尺寸的确定模型尺寸的确定n 均匀设计表与使用表均匀设计表与使用表 5*88U设计表设计表使用表使用表模型尺寸模型尺寸试验优化：均匀设计n模型效率和噪声的试验测量模型效率和噪声的试验测量n试验数据处理试验数据处理n确定数学模型：拟和回归系数确定数学模型：拟和回归系数n验证数学模型验证数学模型n改进数学模型改进数学模型n数学寻优数学寻优n得到回归方程，求其最优解得到回归方程，求其最优解效率低、噪声高效率低、噪声高一些案例n声学软件耦合nFW-H声类比n湍流相关法RANS问题描述n运行过程噪声大n传动结构摩擦副以及传动机构冲击、碰撞，整机振动等引起噪声n吸尘器风机系统气动噪声风机内部噪声源情况n通过转轴平面噪声源强度分布噪声源强度降低原机改进方案风机内部噪声源情况n风叶叶栅通道内噪声源强度分布声源强度降低原机改进方案
